1 前言
短纖維產品如滌綸中空纖維、三葉纖維、七孔中空纖維、十孔中空纖維本、以及各類阻燃纖維、抗菌纖維、加矽纖維（PP棉）等，它具有手感好、彈性、蓬鬆度高的特點，產品適用於生產噴膠棉、無紡布、針刺布、服裝、玩具、枕芯填充料、踏花被、人造毛皮等等。由於該產品暢銷國內國際市場，很多企業都在對老線進行技術改造或是引進新的生產設備。本文就是針對該系列設備推出的成熟的變頻技術方案。
短纖維設備包括前紡處理和後紡處理兩大設備。其中後紡設備和工序包括：集束----牽伸浸油----捲曲熱定型----切斷----打包檢驗----成品----出廠。其中最為重要的是從牽伸到捲曲的工藝過程，該流程中共有4個傳動機構（一道牽伸、二道牽伸、三道牽伸、捲曲），在傳統的工藝中採用一臺大電機通過機械齒輪來單軸控制4個傳動。由於單軸傳動的弱點逐漸凸顯出現，如齒輪箱損壞率高、牽伸比調節困難、單軸容易斷裂等。因此在目前進口的化纖後紡設備中基本上都採用獨立變頻傳動的方式來實現。
在採用獨立變頻傳動的同時，有二個最重要的問題必須要加以解決：（1）發電及能量反饋的問題；（2）同步牽伸的問題。二者都是由於化纖後紡工藝的需要，後紡的一個重要任務就是要使纖維絲通過牽伸速度的不同來達到工藝要求，這就導致了一道和二道牽伸經常處於發電狀態；同時必須保證4個獨立傳動在加減速和恆速中同比例升速，這就引出了同步牽伸的問題。
2 多電機傳動系統的建構
在化纖後紡的4個獨立傳動輥中，為保持一定的牽伸比，通常一道牽伸和二道牽伸處於發電狀態，三道牽伸和捲曲則處於電動狀態。
2.1 電動和發電
通常從變頻器調速系統的二種運行狀態，即電動和發電。在變頻調速系統中，電機的降速和停機是通過逐漸減小頻率來實現的，在頻率減小的瞬間，電機的同步轉速隨之下降，而由於機械慣性的原因，電機的轉子轉速未變。當同步轉速w1小於轉子轉速w時，轉子電流的相位幾乎改變了180度，電機從電動狀態變為發電狀態；與此同時，電機軸上的轉矩變成了制動轉矩Te，使電機的轉速迅速下降，電機處於再生制動狀態。電機再生的電能P經續流二極體全波整流後反饋到直流電路。由於直流電路的電能無法通過整流橋回饋到電網，僅靠變頻器本身的電容吸收，雖然其他部分能消耗電能，但電容仍有短時間的電荷堆積，形成「泵升電壓」，使直流電壓Ud升高。過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。
圖一 變頻器調速系統的二種運行狀態
如何處理再生電能呢？最簡單的辦法就是能耗制動，它採用的方法是在變頻器直流側加放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來實現制動，但是由於一道和二道牽伸傳動始終處於發電狀態，其發電功率是相當可觀的，在實際操作中，需要有龐大的制動電阻群。因此如何將該電能利用起來，是一個急需解決的問題。
2.2 多電機傳動控制的建構
對於頻繁啟動、制動，或是四象限運行的電機而言，如何處理制動過程不僅影響系統的動態響應，而且還有經濟效益的問題。於是，回饋制動成為人們討論的焦點，然而目前大部分的通用變頻器還不能通過單獨的一臺變頻器來實現再生能量。為解決這個問題，本文介紹了一種共用直流母線方式的再生能量回饋系統，通過這種方式，它可以將制動產生的再生能量進行充分利用，從而起到既節約電能又處理再生電能的功效。
多傳動控制迴路包括直流輸入迴路、直流母線供電迴路、若干個逆變器（或是具有輸入缺相保護的通用變頻器），其中電機需要的能量是以直流方式通過PWM逆變器輸出。在多傳動方式下，制動時感生能量就反饋到直流迴路。通過直流迴路，這部分反饋能量就可以消耗在其他處在電動狀態的電機上，制動要求特別高時，只需要在共用母線上並上一個共用制動單元即可。
圖二接線是典型的共用直流母線的制動方式，根據化纖後紡設備的特點，一道牽伸M1和二道牽伸M2在正常工作時處於發電狀態，三道牽伸M3和捲曲M4則處於電動狀態。由於M1和M2發電是由於3道牽伸的電動所引起的，該2臺電機所產生的回饋能量足以消耗到處於電動狀態下的M3和M4中，而不會引起直流迴路母線電壓的升高，這樣就完全解決了再生能量的制動問題，從而使系統始終處於比較穩定的狀態。
圖二 共用直流母線的多電機傳動方式
2.3 直流輸入迴路
直流輸入迴路負責提供多電機傳動系統的直流電源，其主要部件為整流器。但是我們知道，當AC/DC電源啟動時，將產生一個高達系統標稱電流50倍的啟動電流對輸入電容（本文主要是指VF1-VF4變頻器的電解電容）充電。該啟動電流會導致主電源上電壓降的產生，從而影響連接到同一個電源網絡上的其它設備的正常工作，甚至熔斷輸入線路熔絲。通常情況下離線電源的前端由一個橋式整流器和一個大容量濾波電容組成，啟動時對大容量濾波電容的充電會在輸入端產生一個稱之為啟動電流的浪湧電流。如果不限制這一啟動電流，那麼輸入熔絲就可能熔斷或者可能觸發電路保護斷路器。因此直流輸入迴路的核心問題是控制啟動電流。解決該問題的一種方案是將阻抗與一個矽通路元件或者機電繼電器並聯，再與整流器串連，這樣就可以大大降低衝擊電流，以保證直流輸入迴路的可靠性。
2.4 多電機傳動的特點
化纖後紡設備採用共用直流母線的多電機傳動控制方式，具有以下顯著的特點：
a. 共用直流母線和共用制動單元，可以大大減少整流器和制動單元的重複配置，結構簡單合理，經濟可靠。
b. 共用直流母線的中間直流電壓恆定，電容並聯儲能容量大；
c. 各電動機工作在不同狀態下，能量回饋互補，優化了系統的動態特性；
d. 提高系統功率因數，降低電網諧波電流，提高系統用電效率。
3 多電機傳動牽伸同步的控制
在化纖後紡設備的四道傳動（三道牽伸加捲曲）中，其牽伸比的確定必須以四個傳動電機的速度同步為基準。通常情況下，有一個主給定信號，同步控制的目標就是將這個信號按照牽伸比的要求均勻分配到M1、M2、M3、M4四個變頻器中去，保證四傳動無論在加速、恆速或者減速過程中都能保持同步的比例性。
以下主要討論目前較為常用的三種同步控制方案。
圖三 化纖後紡傳動的同步控制方案
3.1 模擬量同步控制
當一臺整機或一條生產線中各個傳動單元分別由獨立的變頻器驅動時，為了保證整機在一個主令轉速的設置下，各單元同步協調工作（這裡為固定的牽伸比），需要配置同步控制器。該同步控制器可對各單元傳動速度分別整定，以實現各單元以一定的比例速度同步工作，總的主令設定電壓（由電位器決定）通過給定積分器輸出，可實現軟起動和軟停車。
該同步控制器能輸出多路模擬量信號給變頻器（這裡為VF1-VF4）。模擬量輸入設定方法是一種控制精度較高的方法，一般情況下可達電壓「11bit+符號」或電流「10bit」級別的解析度。
3.2 脈衝信號同步控制
在電子技術中，脈衝信號是一個按一定電壓幅度，一定時間間隔連續發出的脈衝信號。我們將第一個脈衝和第二個脈衝之間的時間間隔稱為周期；而將在單位時間（如1秒）內所產生的脈衝個數稱為頻率。
通常情況下，最大輸入脈衝頻率可以在0.1KHz到50KHz之間選擇。VF1變頻器在主令電位器的控制下輸出同步脈衝數給VF2，VF2接受脈衝數進行運轉並同時輸出同步脈衝數給VF3，直到VF4。由於脈衝信號的數字處理技術和抗幹擾能力強，因此在同步控制中也被廣泛使用。
3.3 通訊總線同步控制
通過網絡設定頻率是一種高精度的頻率設定，其具有通訊速率高，穩定可靠，接線簡單等優點，而且在模擬量控制時，輸出端經過一個數模轉換器，經過導線，進入輸入端（變頻器）又需要經過一個模數轉換器才能參與控制。兩個轉換器位數不同和導線損耗都可能造成一定誤差，而通訊傳遞直接是數字量不需要轉換，沒有誤差，在傳輸過程中不會造成損耗，而且響應速度率也會很高。
通常情況下，同步控制可採用RS485總線的異步通訊控制方式，如圖（3）所示。選用變頻器標準內置的RS485可以方便實現與上位機的通訊，同時也可掛現場總線或區域網，通過網絡進行信息交換，主要有PROFIBUS、Modbus、FF等對應不同的網絡及總線形式，但必須配用專用接口卡。
4 結束語
化纖後紡設備的變頻技術應用應結合工藝本身的要求，選擇具有共用直流母線方式的多電機傳動控制結構能夠很好地解決一道和二道的持續發電問題，同時採用同步控制來實現恆定的牽伸比。本方案已經在多家短纖維後紡設備的技術改造中得到成功應用。